CN108333383B - 基于智能手机与图像处理的转速测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于转速测量技术领域的一种基于智能手机与图像处理的转速测量系统。所述系统由顺序相连的图像采集模块、图像处理模块和信号处理及分析模块组成，图像采集模块用于获取旋转部件表面图像序列；图像处理模块用于将图像序列转化为表征图像相似度的一维信号；信号处理及分析模块用于对重构的一维信号进行频谱分析，得到旋转频率。本发明采用图像传感器采集图像，通过图像处理和信号处理技术，分析被测部件旋转运动引起的图像灰度分布的周期性变化，根据旋转频率和转速的线性关系，最终获得转速。本发明将转速测量与智能手机相结合，可实现远距离非接触的转速测量，准确性高，解决了现有转速传感器布点布线困难的问题。

Description

基于智能手机与图像处理的转速测量系统
技术领域
本发明属于转速测量技术领域，尤其涉及一种基于智能手机与图像处理的转速测量系统。
背景技术
转速是反映旋转机械运行状况的重要参数之一。实时、准确的转速测量，不仅有助于及时掌握旋转机械的运行状态，而且为设备检修、故障诊断提供关键信息。转速测量技术广泛应用于工业生产过程中，例如一些重要的机械设备，如发电机、电动机、磨煤机、风力涡轮机等。然而，常用的测量仪表在精度、量程、适用性等方面存在一定的局限性。传统的接触式测量方法，如光电码盘、离心转速计等，在测量过程中易干扰被测部件的动态特性，而且长期使用易产生机械磨损；非接触式测量方法，如激光多普勒仪、电子散斑干涉等，在一定程度上克服了接触式测量技术的缺陷，但是该类设备价格昂贵，系统复杂，往往需要配备复杂的光路及辅助装置。另外，现有的转速测量装置一般需要固定安装在被测旋转部件周边，尽管能够保证测量的准确性和可靠性，但会造成额外的装配成本，便携性差，无法进行远场测量。这些装置的现场布线也不利于工业场合的广泛应用。因此，有必要运用新的技术手段探究旋转机械的转速测量，解决现有传感器布点布线困难的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于智能手机与图像处理的转速测量系统，其特征在于，包括：顺序连接的图像采集模块3、图像处理模块4以及信号处理与分析模块5，在被测旋转部件1的一侧放置智能手机2，通过控制智能手机2的摄像头对被测旋转部件1表面成像，
所述图像采集模块3用于采集被测旋转部件1表面的图像序列，并将采集的图像序列传输到图像处理模块4进行处理；
所述图像处理模块4用于将采集的图像序列转化为表征图像相似度的一维信号，并将信号送入信号处理与分析模块5；
所述信号处理与分析模块5用于对转化的一维信号进行频谱分析和转速计算。
所述图像采集模块3通过控制智能手机2的摄像头以不小于30帧/秒的固定帧率，以及旋转部件所占图像区域大于5000像素进行拍照，获取图像序列。
所述智能手机2的摄像头的曝光时间控制在5000us以下，以避免程度过大的运动模糊；拍摄光照强度在300lux以上，以保证图像良好的对比度。
所述智能手机2的摄像头拍摄角度可选，拍摄角度范围为-30度到30度，以避免图像畸变。
所述智能手机2的拍摄距离不小于20cm，以保证图像正常对焦。
一种基于智能手机与图像处理的转速测量系统的转速测量方法，其特征在于，所述转速测量方法通过分析被测旋转部件旋转运动引起的图像灰度分布周期性变化，最终得到被测旋转部件的转速，具体包括以下步骤：
步骤1：利用图像传感器采集被测旋转部件的表面成像，获得图像序列，并将其传输到图像处理模块进行图像处理；
步骤2：采用图像相似度评价算法将图像序列转化为表征图像相似度的一维信号，送入信号处理与分析模块进行频谱分析，得到旋转频率，再根据旋转频率f和转速RPM的线性关系RPM＝60f，计算得到转速。
所述步骤1中，以获取的第一张图像为参考，采用图像相似度算法计算图像序列中每一张图像与第一张图像的相似度，将图像序列的相似度转化为一维信号，假设图像X和图像Y的分辨率大小为m×n，则图像X和图像Y的相似度计算公式为：
式中，r为图像X和图像Y的相似度,X(i,j)和Y(i,j)分别表示图像X和图像Y在像素点(i,j)处的灰度值，和/>分别为图像X和图像Y的平均灰度。
所述步骤2中，采用线性调频变换方法对重构的图像相似度信号进行频谱分析，所述线性调频变换方法的数学模型为：
RPM＝60f
式中，S(k)为相似度信号，k＝1,2,...,N，k为相似度信号点的序数，N为相似度信号的长度；R(m)为相似度信号S(k)经线性调频变换后得到的高分辨率频谱；为线性调频变换核，其中，m＝0,1,...,M-1，m为线性调频变换点的序数，M为线性调频变换的计算点数；fs为手机摄像头的帧率，[f0,f1]为线性调频变换的频率范围，fF为相似度信号S(k)经傅里叶变换后得到的主频值；RPM为由相似度信号S(k)计算得到的转速，f为旋转频率。
本发明的有益效果在于：
本发明提出的一种基于智能手机与图像处理的转速测量系统，该转速测量系统将转速测量与智能手机相结合，利用智能手机采集图像，并利用图像处理技术，使智能手机作为一种新型的便携式、无线化转速测量装置，准确性高，方便灵活，能够满足随时随地的转速远距离测量需求，给工业现场操作带来极大的便利性。本发明采用图像传感器采集图像，通过图像处理和信号处理技术，分析被测部件旋转运动引起的图像灰度分布的周期性变化，进而得到转速。基于智能手机与图像处理的转速测量方法简单有效，适用性广，利用图像相似度评价算法和高精度频谱分析技术建立的转速测量模型，能够对转速进行精确、实时、可靠的测量，可为转速测量提供一种全新的技术手段，具有广阔的应用前景。
附图说明
附图1为基于智能手机和图像处理的转速测量系统结构示意图；
附图2为基于智能手机和图像处理的转速测量方法流程图；
附图标记：
1-被测旋转部件；2-智能手机；3-图像采集模块；4-图像处理模块；5-信号处理及分析模块；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图1为基于智能手机和图像处理的转速测量系统结构示意图，如图1所示，所述转速测量系统由顺序连接的图像采集模块3、图像处理模块4以及信号处理与分析模块5组成，在被测旋转部件1的一侧放置智能手机2，通过控制智能手机2的摄像头对被测旋转部件1表面成像，所述图像采集模块3用于采集被测旋转部件1表面的图像序列，并将采集的图像序列传输到图像处理模块4进行处理；所述图像处理模块4用于将采集的图像序列转化为表征图像相似度的一维信号，并将信号送入信号处理与分析模块5；所述信号处理与分析模块5用于对转化的一维信号进行频谱分析和转速计算，通过频谱分析，得到旋转频率，再根据旋转频率和转速的线性关系，计算得到转速。
具体的，所述图像采集模块3控制手机摄像头以固定的帧率拍照，帧率的设置根据转速的测量范围和精度而定，一般情况下，帧率不小于30帧/秒。其拍摄距离根据实际旋转部件大小和手机摄像头分辨率进行设定，一般要求旋转部件所占的图像区域大于5000像素，以便于提供充分的信息进行相似度计算。帧率的设置根据转速的测量范围和精度而定，在保证不发生频率混淆的前提下，应设定较高的帧率，以获得较高的测量精度。手机摄像头的曝光时间应控制在5000us以下，以避免程度过大的运动模糊，从而保证转速测量的精度。光照强度需保证在300lux以上，以保证图像较好的对比度。一般无需附加额外的照明条件，即可满足要求。手机摄像头拍摄角度可选，一般以-30度到30度为宜，以保证较小的图像畸变。智能手机的拍摄距离根据实际转子大小和手机摄像头分辨率进行设定，一般不小于20cm，以保证图像正常对焦。
附图2为基于智能手机和图像处理的转速测量方法流程图，如图2所示，所述转速测量方法是根据部件旋转运动引起图像灰度分布的周期性变化实现转速测量的。当部件在旋转运动过程中，由于旋转部件的振动和表面纹理的不一致，图像的灰度分布呈现出周期性的是变化。根据上述原理，采用图像和信号处理技术获得转速，具体包括以下步骤：
步骤1：利用图像传感器采集被测旋转部件的表面成像，获得图像序列，并将其传输到图像处理模块进行图像处理；
步骤2：采用图像相似度评价算法将图像序列转化为表征图像相似度的一维信号，送入信号处理与分析模块进行频谱分析，得到旋转频率，再根据旋转频率和转速的线性关系，计算得到转速。
具体的，在步骤1中，以获取的第一张图像为参考，采用图像相似度算法计算图像序列中每一张图像与第一张图像的相似度，将图像序列的相似度转化为一维信号，假设图像X和图像Y的分辨率大小为m×n，则图像X和图像Y的相似度计算公式为：
式中，r为图像X和图像Y的相似度,X(i,j)和Y(i,j)分别表示图像X和图像Y在像素点(i,j)处的灰度值，和/>分别为图像X和图像Y的平均灰度。
具体的，在步骤2中，采用线性调频变换方法对重构的图像相似度信号进行频谱分析，所述线性调频变换方法的数学模型为：
RPM＝60f
式中，S(k)为相似度信号，k＝1,2,...,N，k为相似度信号点的序数，N为相似度信号的长度；R(m)为相似度信号S(k)经线性调频变换后得到的高分辨率频谱；为线性调频变换核，其中，m＝0,1,...,M-1，m为线性调频变换点的序数，M为线性调频变换的计算点数；fs为手机摄像头的帧率，[f0,f1]为线性调频变换的频率范围，fF为相似度信号S(k)经傅里叶变换后得到的主频值；RPM为由相似度信号S(k)计算得到的转速，f为旋转频率，是高分辨率频谱R(m)的主峰所对应的频率值。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于智能手机与图像处理的转速测量系统的转速识别方法，其特征在于，所述转速测量系统包括：顺序连接的图像采集模块(3)、图像处理模块(4)以及信号处理与分析模块(5)，在被测旋转部件(1)的一侧放置智能手机(2)，通过控制智能手机(2)的摄像头对被测旋转部件(1)表面成像，
所述图像采集模块(3)用于采集被测旋转部件(1)表面的图像序列，并将采集的图像序列传输到图像处理模块(4)进行处理；
所述图像处理模块(4)用于将采集的图像序列转化为表征图像相似度的一维信号，并将信号送入信号处理与分析模块(5)；
所述信号处理与分析模块(5)用于对转化的一维信号进行频谱分析和转速计算；
所述转速测量方法通过分析被测旋转部件旋转运动引起的图像灰度分布周期性变化，最终得到被测旋转部件的转速，具体包括以下步骤：
步骤1：利用图像传感器采集被测旋转部件的表面成像，获得图像序列，并将其传输到图像处理模块进行图像处理；所述步骤1中，以获取的第一张图像为参考，采用图像相似度算法计算图像序列中每一张图像与第一张图像的相似度，将图像序列的相似度转化为一维信号，假设图像X和图像Y的分辨率大小为m×n，则图像X和图像Y的相似度计算公式为：
式中，r为图像X和图像Y的相似度,X(i,j)和Y(i,j)分别表示图像X和图像Y在像素点(i,j)处的灰度值，和/>分别为图像X和图像Y的平均灰度；
步骤2：采用图像相似度评价算法将图像序列转化为表征图像相似度的一维信号，送入信号处理与分析模块进行频谱分析，得到旋转频率，再根据旋转频率f和转速RPM的线性关系RPM＝60f，计算得到转速；
所述步骤2中，采用线性调频变换方法对重构的图像相似度信号进行频谱分析，所述线性调频变换方法的数学模型为：
RPM＝60f
式中，S(k)为相似度信号，k＝1,2,...,N，k为相似度信号点的序数，N为相似度信号的长度；R(m)为相似度信号S(k)经线性调频变换后得到的高分辨率频谱；为线性调频变换核，其中，m＝0,1,...,M-1，m为线性调频变换点的序数，M为线性调频变换的计算点数；fs为手机摄像头的帧率，[f0,f1]为线性调频变换的频率范围，fF为相似度信号S(k)经傅里叶变换后得到的主频值；RPM为由相似度信号S(k)计算得到的转速，f为旋转频率。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能手机与图像处理的转速测量系统的转速识别方法，其特征在于，所述图像采集模块(3)通过控制智能手机(2)的摄像头以不小于30帧/秒的固定帧率，以及旋转部件所占图像区域大于5000像素进行拍照，获取图像序列。
3.根据权利要求1所述的一种基于智能手机与图像处理的转速测量系统的转速识别方法，其特征在于，所述智能手机(2)的摄像头的曝光时间控制在5000us以下，以避免程度过大的运动模糊；拍摄光照强度在300lux以上，以保证图像良好的对比度。
4.根据权利要求1所述的一种基于智能手机与图像处理的转速测量系统的转速识别方法，其特征在于，所述智能手机(2)的摄像头拍摄角度可选，拍摄角度范围为-30度到30度，以避免图像畸变。
5.根据权利要求1所述的一种基于智能手机与图像处理的转速测量系统的转速识别方法，其特征在于，所述智能手机(2)的拍摄距离不小于20cm，以保证图像正常对焦。
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